[논문 리뷰] Superconductivity at ~70 K in Tin Hydride SnHx under High Pressure

Fang Hong, Pengfei Shan외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 08.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 28인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 고압 조건에서 SnHx에서 약 70 K에서 초전도성의 첫 번째 실험적 관측을 보고하며, 현장에서의 동기광선 X선 회절 및 전기 저항 측정을 통해 초전도 상이 단일정계 SnH12로 규명되었다. 임계 온도 Tc ≈ 70 K와 상한 임계장 Hc2(0) ≌ 11.2 T는 BCS 이론과 일치하며, 이론적으로 예측된 고Tc 초전도성의 검증에 있어 중요한 발전을 이룬다.

ABSTRACT

Various tin hydrides SnHx (x = 4, 8, 12, 14) have been theoretically predicted to be stable at high pressures and to show high-critical-temperature superconductivity with Tc ranging from about 70 to 100 K. However, experimental verifications for any of these phases are still lacking to date. Here, we report on the in-situ synthesis, electrical resistance, and synchrotron x-ray diffraction measurements of SnHx at ~ 200 GPa. The main phase of the obtained sample can be indexed with the monoclinic C2/m SnH12 via comparison with the theoretical structural modes. A sudden drop of resistance and the systematic downward shift under external magnetic fields signals the occurrence of superconductivity in SnHx at Tc = ~ 70 K with an upper critical field u0Hc2(0) = ~ 11.2 T, which is relatively low in comparison with other reported high-Tc superhydrides. Various characteristic superconducting parameters are estimated based on the BCS theory.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 이론적으로 예측된 스티빈 하이드라이드 SnHx의 고Tc 초전도성을 실험적으로 검증하기 위해.
• 현장 기법을 사용하여 약 200 GPa에서 SnHx 상을 합성하고 특성화하기 위해.
• SnHx에서 초전도 전이 온도 Tc와 상한 임계장 Hc2(0)를 결정하기 위해.
• 이론적 구조 모드와의 비교를 통해 초전도 상의 결정 구조를 규명하기 위해.
• 실험 데이터를 바탕으로 BCS 이론을 사용하여 초전도 매개변수를 추정하기 위해.

제안 방법

• 대용적 압력장치를 사용하여 약 200 GPa에서 SnHx의 현장 합성.
• 구조적 및 전자적 전이를 모니터링하기 위해 동시에 전기 저항 측정과 동기광선 X선 회절 측정을 수행.
• SnH12의 단일정계 C2/m 공간군에서의 이론적 진동 모드 및 결정 구조 예측을 기반으로 주상의 구조 인덱싱.
• 저항 감소 및 자기장 의존성 분석을 통해 초전도성의 확인 및 Tc와 Hc2(0) 추출.
• BCS 이론을 사용하여 갭 비율 2Δ(0)/kBTc와 같은 초전도 매개변수 추정.
• SnHx 상들에 대한 이론적 예측(산화수 x = 4, 8, 12, 14)과 실험 결과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서 Tc > 70 K의 초전도성이 스티빈 하이드라이드에서 실험적으로 실현될 수 있는가?
• RQ2 약 200 GPa에서 SnHx에 형성된 초전도 상의 결정 구조는 무엇인가?
• RQ3 초전도 SnHx 상의 임계 온도 Tc와 상한 임계장 Hc2(0)는 무엇인가?
• RQ4 측정된 초전도 매개변수는 BCS 이론의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 행동은 SnHx에서 고Tc 초전도성에 대한 이론적 예측을 어느 정도 확인하는가?

주요 결과

• 초전도 전이 온도 Tc는 약 70 K에서 관측되었으며, 전기 저항의 급격한 감소로 확인되었다.
• 상한 임계장 Hc2(0)는 약 11.2 T로 측정되어 초전도성의 자기장에 의한 억제가 상대적으로 낮음을 시사한다.
• 합성된 시료의 주상은 단일정계 C2/m SnH12로 인덱싱되었으며, 이론적 구조 모드와 일치한다.
• 외부 자기장 작용 시 저항이 체계적으로 하향 이동함으로써 전이의 초전도 성격을 확인하였다.
• BCS 이론에 기반한 초전도 갭 비율 2Δ(0)/kBTc 추정치는 이론과 일치하여 전통적인 s파어 페어링을 지지한다.
• 본 연구는 고압에서 스티빈 하이드라이드의 고Tc 초전도성에 대한 첫 번째 실험적 증거를 제공하며, 이론적 예측이 SnH12에서 검증됨을 입증한다.